InP基PIN光探測器+HBT單片集成光接收機(jī)前端的研究.pdf

1、本論文的工作是圍繞任曉敏教授為首席科學(xué)家的國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)項(xiàng)目“新一代通信光電子集成器件及光纖的重要結(jié)構(gòu)工藝創(chuàng)新與基礎(chǔ)研究”(項(xiàng)目編號：2003CB314900)、任曉敏教授承擔(dān)的教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金“基于RCE光探測器和HBT的單片集成(OEIC)高速光接收模塊”(項(xiàng)目編號：20020013010)以及黃永清教授和黃輝副教授分別承擔(dān)的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)“高性能InP基、GaAs基

2、諧振腔增強(qiáng)型長波長光探測器”(項(xiàng)目編號：2003AA31G050)、“自主創(chuàng)新WDM集成解復(fù)用光探測器和關(guān)鍵工藝研究”(項(xiàng)目編號：2003AA312020)等項(xiàng)目展開的。 隨著光纖通信技術(shù)的迅速發(fā)展，帶寬需求不斷增大，光纖通信正向以智能化、集成化、低成本和高可靠性的新一代光通信網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)。光電集成器件較分立封裝的光電組件具有尺寸小、光電連接產(chǎn)生的寄生效應(yīng)低、成本低、性能優(yōu)越和可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，滿足了光通信進(jìn)一步發(fā)展的要求，因此成

3、為全世界光通信和光電子領(lǐng)域所關(guān)注的研究熱點(diǎn)。 在任曉敏教授的精心指導(dǎo)下，作者就InP基PIN光探測器和HBT分立器件的基本理論、測試?yán)碚?、建模理論、制作工藝以及單片集成光接收機(jī)的前端電路和工藝展開了深入細(xì)致的研究工作，并取得以下研究成果： 一、在PIN光探測器方面1．在光探測器的測量方面，提出了一種更為完備的光外差法測量光探測器高頻響應(yīng)的校準(zhǔn)方法，該校準(zhǔn)方法可以同時消除額外夾具和激光器的輸出波動對測量結(jié)果的影響，測量精度

4、得以大幅提高；提出了一種更為完備的掃頻法測量光探測器S21參數(shù)的校準(zhǔn)方法，該校準(zhǔn)方法利用流圖分析，全面考慮并去如端口間反射以及夾具響應(yīng)等誤差因素，測量精度得以明顯提高；建立了光探測器的自動光譜響應(yīng)測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)無需復(fù)雜的聚焦系統(tǒng)和光強(qiáng)均勻化設(shè)備，即可以準(zhǔn)確獲得光探測器的絕對量子效率。 2．提出了利用螺旋電感提升光探測器頻率響應(yīng)的方法，理論和初步試驗(yàn)的結(jié)果表明在不減少光探測器有源區(qū)面積的情況下，通過增加光探測器輸出端電感可以降低

5、由光探測器結(jié)電容帶來的頻率響應(yīng)限制，從而提升光探測器的頻率響應(yīng)。 3．采用遺傳算法完成了分立PIN光探測器小信號等效電路模型的參數(shù)提取，克服了以往單一利用軟件提取光探測器模型的限制。提出了一種自適應(yīng)遺傳算法，該算法根據(jù)個體適應(yīng)度和種群適應(yīng)度均值的相對關(guān)系自動調(diào)節(jié)交叉概率和變異概率，克服了傳統(tǒng)遺傳算法容易出現(xiàn)的局部極值的問題，提高了計算效率和準(zhǔn)確度。 4．利用本實(shí)驗(yàn)室的工藝線，參與完成了分立InP基PIN光探測器的制備。在

6、臺面面積為22x22μm2的情況下，PIN光探測器3dB帶寬達(dá)到15GHz。 二、在HBT分立器件方面1．提出了一種通過測量HBT芯片PAD處于開路、短路狀態(tài)下的S參數(shù)來去除PAD寄生效應(yīng)的方法，該法使建立的模型更接近真實(shí)的器件特性，為后續(xù)集成器件的仿真提供了可靠的保障。 2．采用所提出的自適應(yīng)遺傳算法完成了分立HBT的小信號等效電路模型的參數(shù)提取。所建立模型的高頻特性與實(shí)際器件的測量值相吻合，表明所建立的模型與實(shí)際器件

7、高頻特性相符。 3．利用本實(shí)驗(yàn)室的工藝線，參與完成了分立InP基HBT的制備。其中采用MBE生長的發(fā)射極寬度2μm的InP基HBT，開啟電壓為0.43V，擊穿電壓大于2V，直流增益達(dá)到100倍，截止頻率達(dá)到38GHz；采用MOCVD生長的發(fā)射極寬度2μm的InP基HBT，開啟電壓為0.4V，擊穿電壓大于2V，直流增益為30倍，截止頻率達(dá)到40GHz。 三、在集成器件方面1．設(shè)計了多種形式的PIN光探測器+HBT光接收機(jī)前

8、端放大電路，并對電路進(jìn)行仿真和優(yōu)化。研究發(fā)現(xiàn)，HBT的基區(qū)電阻的熱噪聲在光接收機(jī)前端放大電路的噪聲中起主要作用。 2.探討了利用電感峰化技術(shù)提高光接收機(jī)前端電路頻率響應(yīng)的方法。研究表明，通過在光探測器和前放電路之間加入適當(dāng)大小的電感，不僅可以提升整個光前端的傳輸系數(shù)S21，而且可以有效降低HBT基極電阻引起的熱噪聲，從而使光接收機(jī)前端的整體噪聲明顯下降，從而可以使輸出信號的信噪比得到提升。 3．針對基于發(fā)射極寬度為2μm

9、、3μm的HBT的單片集成光接收機(jī)前端電路，完成了集成器件版圖的設(shè)計。成功研制出PIN光探測器+HBT單片集成光接收機(jī)前端電路。光探測器臺面面積為22x22μm2，放大電路形式采用跨阻反饋單極共射加輸出緩沖電路。在片測試時，探測器加2.5V反向偏壓，電路加2V偏壓的條件下，測得電路的3dB帶寬達(dá)到3GHz，跨阻放大倍數(shù)達(dá)到800。并對RCE光探測器+HBT結(jié)構(gòu)的單片集成光接收機(jī)前端進(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)嘗試，此種集成方式有效地解決了共享外延層